第6章DCAC变换技术-资料
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若负载Z为纯电阻负载，则流过负载的电流的波形 与电压波形相同。调节功率管的开通时间，从而 调节VAB的有效值大小。纯电阻负载时与功率管反 并联的二极管没有电流流通，也就是说反并联的 二极管不参与工作。
若负载Z为纯电感负载L，在Q1和Q4导通时，
vAB=Vin ，流过负载L的电流从零增加，电流变化
图6-10（b）和（c）给出了双极性控制方式下的 工作波形。在PWM调制方式下，开关周期为Ts， 在前半个开关周期，Q1和Q4导通时间为ton；后半 周期Q2和Q3导通时间也为ton 。假定功率管为理 想器件则在Q1和Q4导通期间vAB=Vin；在Q2和Q3 导通期间vAB=-Vin ；四个功率均截止时，VAB=0。
角度的方波交流电，宽度等于Ton（Q1或Q2
的导通时间）。频率等于开关频率 开关周期。
是 f s
1 Ts
, Ts
在纯电阻负载R情况下，D1或D2都不参与
导通，Q1和Q2互相轮流导通，输出波形为 方波，其幅值为V2in ，为保证电路正常工作， Q1和Q2不能同时导通，否则将出现直流侧 短路现象。改变Q1和Q2的激励信号的频率， 输出电压的频率也随之改变。
a电角度，如图6-12（a）所示。其中Q1和Q3分
别先于Q2和Q4导通，故称Q1和Q3组成的桥臂为 超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。 移相控制时，电阻负载或空载时电压波形与上述 两种方式的工作波形相同，纯电感负载时的工作 波形与受限双极式工作波形相同，波形的宽度仅 与移相角有关，即在此工作方式下，仅与开关器 件的状态有关，也与负载性质和大小无关。
图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线
整流器 逆变器
逆变器
整流器
图6-7 四象限工作情况
图6-8 反并联二极管
3 、逆变器波形指标
实际逆变器的输出波形总是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评 价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标：
1）谐波因子（Harmonic Factor）
写VSI）或电压型逆变器，如图6-2所示,电压源逆变器的输入特点是 其输入具有理想电压源性质；输入为恒流源称为电流源逆变器 （Current Source Inverter 缩写CSI），或电流型逆变器，如图6-3 所示，电流源逆变器输入为理想电流源，在实际应用中使用较少。
负载电压
负载电流
图6-2 电压源逆变器
在负载为纯电感情况下，Q1和Q4导通，AB Vin，流过负载L
的电流从零增加，Q1关断，由于电感电流不能突变，电感
电流仍将按原来方向流动，形成由D3、负载L和Q4构成的
续流回路，AB 0 ， 由于该电路中没有外电源，若不计电路 损耗，则电感电流保持不变，直到Q4 关断，Q2和Q3导通， 电感电流才开始下降。在此工作方式下，仅与开关器件的 状态有关，与负载性质和大小无关。
1、单相半桥式逆变电路
半桥式逆变电路如图6-9（a）所示，在直流侧有 两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的 联结点为直流电压的中点。两个电容构成一个桥 臂，开关管和及其反并二极管和构成另一个桥臂， 两桥臂的中点为输出端，可以通过变压器输出， 也可由这两端直接输出。因电容C容量较大，每 个电容两端电压，B点电位基本上不变，A点的电 位则取决于器件的工作情况。
出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻（除阻性负载）其输出功 率的瞬时值有正有负。正的输出功率表明逆变器输出功率，即能量从 逆变器输入向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态， 从负载向逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才能 适应各种不同的负载情况。 设逆变器输出电压为正弦，输出电流滞后于输出电压φ 弧度，在此负
Q1 V
in
Q
3
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
D2
QQ 14
VAB
Vin B
Q2 Q3
D4 i R
Q1Q4 t
Q4
D 3
Q1 D2
V AB
t
iL
Q3
D 4
Q2 D1
Q4 Q
1 t
t
Ton Ts /2 (b)
t Ts
Ton Ts /2 (c)
t Ts
6-10全桥逆变器主电路和双极性控制工作波形
1)双极性控制方式
第6章 DC-AC变换技术
§6.1 逆变器分类、功率流向和波形指标 §6.2 方波逆变器 §6.3脉冲宽度调制（PWM）
返回
把直流电变成交流电称为逆变，相应的功率变换装置被称 为逆变器。
如果把逆变器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成 同频率的交流电送到电网去，叫有源逆变；
如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载， 即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则叫无源 逆变。
Q1 V
in
Q
3
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
Q 1
Q3
D2
QQ
图6-3 电流源逆变器
电压源逆变器又可分为： a、具有可变直流电压环节（Variable DC link）的电压源
逆变器，如图6-4所示。由DC-DC变换器或可控整流获得 可变的直流电压，输出电压幅度取决于输入可变直流电压， 输出电压频率由逆变器决定。一般情况下，该变换器输出 电压为方波。 b、具有恒定直流电压环节（Fixed DC link）的电压源逆 变器，方块图如图6-5所示。其直流电压恒定，输出电压 幅度和频率利用PWM技术同步调整。
于电感中的电流不能突然改变方向，此时即使Q2
管加上驱动信号，iL也必须通过D2流动，直到iL为 零Q2才能导通。iL为零后电流开始反向，Q2管才
流过电流。
在 A作B 用下，iL线性增长，Q1截止后，iL维持原方
向流动，电流D2经续流，于是 变AB 负，在此电压
作用下iL下降，下降速度与增长速度相同。由此可
第即n次谐波因子HFn定义为第HFnn 次 VV谐n1 波分量有效值同基波分量有效之值比，
2）总谐波（畸变）因子THTHDD(TV11o(nt2a,3Vln2h)12armonic distortion factor)
该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的 THD为零。
工业用的特殊交流电源有变频变压电压源 VVVF(variable voltage variable frequency) 和恒频恒压电压源CVCF(constant voltage constant frequency)。
2 、逆变器功率流方向 无论逆变器输出是方波还是正弦，在负载为感性或容性负载时，其输
对称的三角波，不再受或导通时间变化的影响。由此可见，
全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。
vAB的有效值和瞬时值为：
1
VABT2s
Ts 2 0
Vin2dt2
Vin
vAB 4 V in sitn 1 3si3 n t1 5si5 n t
图6-4 具有可变直流电压环节的电压源逆变器图 6-5 具有恒定直流电压环节的电压源逆变器
2）按电路结构特点可分为半桥式、全桥式，推 挽式和单管式逆变器。
3）按器件的换流特点可分为强迫换流式和自然 换流式逆变器。
4）按负载特点可分为谐振式和非谐振式逆变器。
5）按输出波形可分为正弦式和非正弦式逆变器。
DC-AC方框图如图6-1所示。
图6-1 DC-AC方框图
§6.1 逆变器分类、功率流方向和指标
1、分类 逆变器分为单相和三相两大类。单相逆变器适用于小、中功率；三相
逆变器适用于中、大功率。这两大类按不同的特点又可分为： 1）按输入电源特点 输入电压为恒压源称为电压源逆变器（Voltage Source Inverter 缩
率为
diL dt
V，Lin 该电流在t=ton时达到最大值，即在Q1
和Q4将关断时达到最大值， Q1和Q4关断后，由
于电感电流不能突变，电感电流仍将按原来方向
流动，因此D3和D2导通续流，于是vAB=-Vin 。在 这个电压作用下，电感电流减小，减小速度与和
导通时的增长速度相同。iL=0时，Q2和Q3导通，
其输出电压有效值为：
1
vABT20
T0 2 0
Vin2 4
2 dt
Vin 2
其瞬时值表达式为：
vABn1,3,5...2nVinsinnt
当n=1时，其基波分量的有效值为：
VAB1
2Vin
2
0.45Vin
当负载为纯电感负载时，若Q1管在TS/2关断，由
载情况下，其输出功率情况可以从图从图6-6和6-7中可知 ，在第一
象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出能量；在第三象限， 逆变器输出电压和电流均为负，逆变器输出能量；即在1、4象限，逆 变器工作在逆变状态。在第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正， 逆变器从负载向逆变器反馈能量；在第三象限，逆变器输出电压为正， 电流为负，逆变器从负载向逆变器反馈能量。即在2、3象限，逆变器 工作在整流状态。 为了使逆变其能够在四个象限工作，功率开关管反并联一个二极管即 可实现，连接如图6-8所示。
负载电流开始反向流过，负载L的电流从零反向增
加，该电流在t=ton时达到最大值，即在Q2和Q3 将关断时达到最大值，Q2和Q3关断后，由于电感 电流不能突变，电感电流仍将按原来方向流动，
因此D1和D4导通续流，于是vAB=Vin 。
由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏 秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通 时间超过Ts/4，波形为1800方波，电感电流成为正负面积
3）畸变因子（Distortion factor）
总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的
影响程度，畸变因子定义： DF
1 V1
n2,3(Vnn2
1
)22
对于第次谐波的畸变因子定义如下：
DFn
Vn V1n 2
返回
§6.2 方波逆变器
C
V in B
Q1
iL
Z
C
Q
2
(a)
D1
Q 1
V AB
Vin/2 A
D2 i R
Q2
Q1
Q1 D2
Q2 D1
Q1
t
t
V AB
t
t
iL
Ton Ts/2 (b)
t Ts
Ton Ts/2 (c)
t Ts
图6-9 半桥逆变器的主电路及主要波形
若Q 导通，则 。
1
AB
1 2
Vin
若Q2导通，则AB 12。Vin 所以输出电压为1800电
见，感性负载时Q1和Q2、D1和D2是轮流导通的。 由于D1或D2续流，电压形成一个负(正)的面积。
如果Q1或Q2导通时间超过TS/4，波形为1800方波， 电感电流成为正负面积对称的三角波，不再受或 导通时间变化的影响，如图6-9（c）所示。
2、单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路如图6-10所示，有四个功 率管、四个反并联二极管组成，其控制方 式有双极性控制、有限双极性控制和移相 控制三种。
t
tt
i L
i L t Ts t Ts
t
Ton Ts /2
t Ts
T(ob)n Ts /2
(c)
Q 4
Q1 t
t
t Ts
A
图6-11全桥电路受限双极性控制方式工作波形
1
2
3)移相控制方式
移相控制方式的工作过程是Q1和Q3轮流导通，各 导通1800电角；Q2和Q4也是这样，但Q1和Q4不 是同时导通。Q1先导通，Q4后导通，两者导通差
2—fS—为输出电压频率。
当n=1时，其基波分量的有效值为：
VAB1
4Vin
2
0.9Vin
显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的
4倍。
2)受限双极性控制方式 受限双极性控制方式的工作原理是让一个桥臂的两个管子
(例如Q1 和Q3)以PWM方式工作，另一个桥臂的两个管子 Q2、Q4各轮流导通半个周期。 在纯电阻负载或空载时波形与双极性控制方式工作时相同， 如图6-11（a）；在负载为纯电感情况下，波形与双极性 控制方式工作时不同，其波形如图6-11(b)所示。
Q1 V
in
Q
3
B
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
Q 1
Q3
D2
Q1 Q4 Q4 Q2 QQ32
VAB VVAiBn Vin B
D4 i R
iR
Ton Ts /2 Ton Ts /2 (a)
(b)
Q1
Qt1Q4 Q 1 DQ3 4 DQ33 D 1
t t
Q
Q1 4
D2 Q2
V
V AB
AB
QQ 3
1D4
Q2 Dt 1
若负载Z为纯电感负载L，在Q1和Q4导通时，
vAB=Vin ，流过负载L的电流从零增加，电流变化
图6-10（b）和（c）给出了双极性控制方式下的 工作波形。在PWM调制方式下，开关周期为Ts， 在前半个开关周期，Q1和Q4导通时间为ton；后半 周期Q2和Q3导通时间也为ton 。假定功率管为理 想器件则在Q1和Q4导通期间vAB=Vin；在Q2和Q3 导通期间vAB=-Vin ；四个功率均截止时，VAB=0。
角度的方波交流电，宽度等于Ton（Q1或Q2
的导通时间）。频率等于开关频率 开关周期。
是 f s
1 Ts
, Ts
在纯电阻负载R情况下，D1或D2都不参与
导通，Q1和Q2互相轮流导通，输出波形为 方波，其幅值为V2in ，为保证电路正常工作， Q1和Q2不能同时导通，否则将出现直流侧 短路现象。改变Q1和Q2的激励信号的频率， 输出电压的频率也随之改变。
a电角度，如图6-12（a）所示。其中Q1和Q3分
别先于Q2和Q4导通，故称Q1和Q3组成的桥臂为 超前桥臂，Q2和Q4组成的桥臂为滞后桥臂。 移相控制时，电阻负载或空载时电压波形与上述 两种方式的工作波形相同，纯电感负载时的工作 波形与受限双极式工作波形相同，波形的宽度仅 与移相角有关，即在此工作方式下，仅与开关器 件的状态有关，也与负载性质和大小无关。
图6-6 逆变器输出瞬时电压和电流曲线
整流器 逆变器
逆变器
整流器
图6-7 四象限工作情况
图6-8 反并联二极管
3 、逆变器波形指标
实际逆变器的输出波形总是偏离理想的正弦波形，含有谐波成分，为了评 价输出波形的品质质量，从电压角度引入下述几个参数指标：
1）谐波因子（Harmonic Factor）
写VSI）或电压型逆变器，如图6-2所示,电压源逆变器的输入特点是 其输入具有理想电压源性质；输入为恒流源称为电流源逆变器 （Current Source Inverter 缩写CSI），或电流型逆变器，如图6-3 所示，电流源逆变器输入为理想电流源，在实际应用中使用较少。
负载电压
负载电流
图6-2 电压源逆变器
在负载为纯电感情况下，Q1和Q4导通，AB Vin，流过负载L
的电流从零增加，Q1关断，由于电感电流不能突变，电感
电流仍将按原来方向流动，形成由D3、负载L和Q4构成的
续流回路，AB 0 ， 由于该电路中没有外电源，若不计电路 损耗，则电感电流保持不变，直到Q4 关断，Q2和Q3导通， 电感电流才开始下降。在此工作方式下，仅与开关器件的 状态有关，与负载性质和大小无关。
1、单相半桥式逆变电路
半桥式逆变电路如图6-9（a）所示，在直流侧有 两个相互串联的足够大的电容，使得两个电容的 联结点为直流电压的中点。两个电容构成一个桥 臂，开关管和及其反并二极管和构成另一个桥臂， 两桥臂的中点为输出端，可以通过变压器输出， 也可由这两端直接输出。因电容C容量较大，每 个电容两端电压，B点电位基本上不变，A点的电 位则取决于器件的工作情况。
出电压滞后或超前电流。因此，在任意时刻（除阻性负载）其输出功 率的瞬时值有正有负。正的输出功率表明逆变器输出功率，即能量从 逆变器输入向负载传输；负的输出功率表明逆变器工作于整流状态， 从负载向逆变器反馈能量。因此逆变器必须能够工作在四个象限才能 适应各种不同的负载情况。 设逆变器输出电压为正弦，输出电流滞后于输出电压φ 弧度，在此负
Q1 V
in
Q
3
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
D2
QQ 14
VAB
Vin B
Q2 Q3
D4 i R
Q1Q4 t
Q4
D 3
Q1 D2
V AB
t
iL
Q3
D 4
Q2 D1
Q4 Q
1 t
t
Ton Ts /2 (b)
t Ts
Ton Ts /2 (c)
t Ts
6-10全桥逆变器主电路和双极性控制工作波形
1)双极性控制方式
第6章 DC-AC变换技术
§6.1 逆变器分类、功率流向和波形指标 §6.2 方波逆变器 §6.3脉冲宽度调制（PWM）
返回
把直流电变成交流电称为逆变，相应的功率变换装置被称 为逆变器。
如果把逆变器的交流侧接到交流电源上，把直流电逆变成 同频率的交流电送到电网去，叫有源逆变；
如果逆变器的交流侧不与电网连接，而是直接接到负载， 即把直流电逆变成某一频率的交流电供给负载，则叫无源 逆变。
Q1 V
in
Q
3
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
Q 1
Q3
D2
图6-3 电流源逆变器
电压源逆变器又可分为： a、具有可变直流电压环节（Variable DC link）的电压源
逆变器，如图6-4所示。由DC-DC变换器或可控整流获得 可变的直流电压，输出电压幅度取决于输入可变直流电压， 输出电压频率由逆变器决定。一般情况下，该变换器输出 电压为方波。 b、具有恒定直流电压环节（Fixed DC link）的电压源逆 变器，方块图如图6-5所示。其直流电压恒定，输出电压 幅度和频率利用PWM技术同步调整。
于电感中的电流不能突然改变方向，此时即使Q2
管加上驱动信号，iL也必须通过D2流动，直到iL为 零Q2才能导通。iL为零后电流开始反向，Q2管才
流过电流。
在 A作B 用下，iL线性增长，Q1截止后，iL维持原方
向流动，电流D2经续流，于是 变AB 负，在此电压
作用下iL下降，下降速度与增长速度相同。由此可
第即n次谐波因子HFn定义为第HFnn 次 VV谐n1 波分量有效值同基波分量有效之值比，
2）总谐波（畸变）因子THTHDD(TV11o(nt2a,3Vln2h)12armonic distortion factor)
该参数表征了一个实际波形同基波分量的接近程度。输出为理想正弦波的 THD为零。
工业用的特殊交流电源有变频变压电压源 VVVF(variable voltage variable frequency) 和恒频恒压电压源CVCF(constant voltage constant frequency)。
2 、逆变器功率流方向 无论逆变器输出是方波还是正弦，在负载为感性或容性负载时，其输
对称的三角波，不再受或导通时间变化的影响。由此可见，
全桥逆变器在感性负载时不宜采用双极性控制方式。
vAB的有效值和瞬时值为：
1
VABT2s
Ts 2 0
Vin2dt2
Vin
vAB 4 V in sitn 1 3si3 n t1 5si5 n t
图6-4 具有可变直流电压环节的电压源逆变器图 6-5 具有恒定直流电压环节的电压源逆变器
2）按电路结构特点可分为半桥式、全桥式，推 挽式和单管式逆变器。
3）按器件的换流特点可分为强迫换流式和自然 换流式逆变器。
4）按负载特点可分为谐振式和非谐振式逆变器。
5）按输出波形可分为正弦式和非正弦式逆变器。
DC-AC方框图如图6-1所示。
图6-1 DC-AC方框图
§6.1 逆变器分类、功率流方向和指标
1、分类 逆变器分为单相和三相两大类。单相逆变器适用于小、中功率；三相
逆变器适用于中、大功率。这两大类按不同的特点又可分为： 1）按输入电源特点 输入电压为恒压源称为电压源逆变器（Voltage Source Inverter 缩
率为
diL dt
V，Lin 该电流在t=ton时达到最大值，即在Q1
和Q4将关断时达到最大值， Q1和Q4关断后，由
于电感电流不能突变，电感电流仍将按原来方向
流动，因此D3和D2导通续流，于是vAB=-Vin 。在 这个电压作用下，电感电流减小，减小速度与和
导通时的增长速度相同。iL=0时，Q2和Q3导通，
其输出电压有效值为：
1
vABT20
T0 2 0
Vin2 4
2 dt
Vin 2
其瞬时值表达式为：
vABn1,3,5...2nVinsinnt
当n=1时，其基波分量的有效值为：
VAB1
2Vin
2
0.45Vin
当负载为纯电感负载时，若Q1管在TS/2关断，由
载情况下，其输出功率情况可以从图从图6-6和6-7中可知 ，在第一
象限，逆变器输出电压和电流均为正，逆变器输出能量；在第三象限， 逆变器输出电压和电流均为负，逆变器输出能量；即在1、4象限，逆 变器工作在逆变状态。在第二象限，逆变器输出电压为负，电流为正， 逆变器从负载向逆变器反馈能量；在第三象限，逆变器输出电压为正， 电流为负，逆变器从负载向逆变器反馈能量。即在2、3象限，逆变器 工作在整流状态。 为了使逆变其能够在四个象限工作，功率开关管反并联一个二极管即 可实现，连接如图6-8所示。
负载电流开始反向流过，负载L的电流从零反向增
加，该电流在t=ton时达到最大值，即在Q2和Q3 将关断时达到最大值，Q2和Q3关断后，由于电感 电流不能突变，电感电流仍将按原来方向流动，
因此D1和D4导通续流，于是vAB=Vin 。
由于D2、D3(或D1、D4)续流，电压形成一个与导通期间伏 秒积相等的负(正)的面积。如果Q1和Q4（Q2和Q3）导通 时间超过Ts/4，波形为1800方波，电感电流成为正负面积
3）畸变因子（Distortion factor）
总谐波因子指示了总的谐波合量，但它并不能告诉我们每一个谐波分量的
影响程度，畸变因子定义： DF
1 V1
n2,3(Vnn2
1
)22
对于第次谐波的畸变因子定义如下：
DFn
Vn V1n 2
返回
§6.2 方波逆变器
C
V in B
Q1
iL
Z
C
Q
2
(a)
D1
Q 1
V AB
Vin/2 A
D2 i R
Q2
Q1
Q1 D2
Q2 D1
Q1
t
t
V AB
t
t
iL
Ton Ts/2 (b)
t Ts
Ton Ts/2 (c)
t Ts
图6-9 半桥逆变器的主电路及主要波形
若Q 导通，则 。
1
AB
1 2
Vin
若Q2导通，则AB 12。Vin 所以输出电压为1800电
见，感性负载时Q1和Q2、D1和D2是轮流导通的。 由于D1或D2续流，电压形成一个负(正)的面积。
如果Q1或Q2导通时间超过TS/4，波形为1800方波， 电感电流成为正负面积对称的三角波，不再受或 导通时间变化的影响，如图6-9（c）所示。
2、单相全桥逆变电路
单相全桥逆变电路如图6-10所示，有四个功 率管、四个反并联二极管组成，其控制方 式有双极性控制、有限双极性控制和移相 控制三种。
t
tt
i L
i L t Ts t Ts
t
Ton Ts /2
t Ts
T(ob)n Ts /2
(c)
Q 4
Q1 t
t
t Ts
A
图6-11全桥电路受限双极性控制方式工作波形
1
2
3)移相控制方式
移相控制方式的工作过程是Q1和Q3轮流导通，各 导通1800电角；Q2和Q4也是这样，但Q1和Q4不 是同时导通。Q1先导通，Q4后导通，两者导通差
2—fS—为输出电压频率。
当n=1时，其基波分量的有效值为：
VAB1
4Vin
2
0.9Vin
显然当电源电压和负载不变时，其输出功率是半桥电路的
4倍。
2)受限双极性控制方式 受限双极性控制方式的工作原理是让一个桥臂的两个管子
(例如Q1 和Q3)以PWM方式工作，另一个桥臂的两个管子 Q2、Q4各轮流导通半个周期。 在纯电阻负载或空载时波形与双极性控制方式工作时相同， 如图6-11（a）；在负载为纯电感情况下，波形与双极性 控制方式工作时不同，其波形如图6-11(b)所示。
Q1 V
in
Q
3
B
D1
Q2
A
Z
D3
Q
4
(a)
Q 1
Q3
D2
Q1 Q4 Q4 Q2 QQ32
VAB VVAiBn Vin B
D4 i R
iR
Ton Ts /2 Ton Ts /2 (a)
(b)
Q1
Qt1Q4 Q 1 DQ3 4 DQ33 D 1
t t
Q
Q1 4
D2 Q2
V
V AB
AB
QQ 3
1D4
Q2 Dt 1